三维放射治疗计划系统仿真建模研究

论文摘要

放射治疗是肿瘤治疗的重要手段,三维放射治疗计划系统（Three dimensional radiation therapy planning system,3D-RTPS）是精确放射治疗核心子系统。3D-RTPS利用计算机程序模拟整个治疗过程,计算出患者体内剂量分布数据,通过分析与评估,制定出合理的治疗方案,从而有效的减少放射治疗的副作用,增加肿瘤控制率。本文基于3D-RTPS产品需求,对3D-RTPS涉及的核心技术进行了比较全面和详细的研究,并进行了相关功能的验证与分析,力求提供一个满足临床需求、具有良好扩展性的软件产品平台。本文研究工作包括三维可视化、组织分割、剂量计算、逆向调强、GPU加速及软件开发实现。在三维可视化领域,主要做了两方面创新工作。一方面基于Phong光照模型,提出预先计算体元法向量并基于球坐标索引进行存储。该方法在光线追踪过程直接获得当前体元的法向量,避免了法向量重复计算,有效减少了可视化时间。基于球坐标索引进行存储避免了存储法向量三个浮点分量,减少了内存开销。另一方面,将光线投射方法的体绘制技术应用于剂量三维分布显示。在光线投射采样过程中,系统使得医生根据临床需要对阻光度及颜色进行分类,使用该方法,医生能直观的判断器官的剂量分布情况。在组织分割方面,实现了体轮廓、肺及脊髓的自动提取功能。基于CT影像人体结构的特征知识,提出了三个主要步骤实现脊髓的自动提取功能。在检测脊髓概率区关键步骤中,基于脊髓及其周围结构的特征知识,建立了一个全新的特征模型用于脊髓内一点的检测,基于该点进行区域增长得到脊髓概率区后,在该区域内实现脊髓的检测。引入特征模型自适应修正,实现了60例患者CT图像序列脊髓自动提取100%的成功率。软件运行于笔记本电脑,患者CT图像序列脊髓检测时间可以达到3秒左右,满足临床要求。在剂量计算方面,基于点核卷积叠加剂量计算模型,本文将治疗床CT影像象素加入到患者CT影像数据中,使系统在剂量计算过程引入治疗床对X射线束的衰减作用,降低了治疗床引起的剂量偏差,提高了系统剂量计算精度。在模型匹配方面,基于模型参数自身特征,提出了基于模拟退火优化算法进行模型自动匹配,降低了软件对操作人员业务能力的依赖,降低了产品维护成本,增加了产品市场竞争力。在逆向调强方面,提出用点核叠加构建笔形束核进行剂量计算,该方法提高了优化迭代过程中的剂量计算速度,使得基于点核叠加技术的计划系统得以集成直接孔隙的逆向调强技术。模体及临床实际病例试验表明,该方法与使用精确剂量计算模型得到的优化结果一致,可用于调强优化过程中的剂量计算。在GPU加速技术方面,对原有剂量计算模型进行了修改,基于CUDA编程技术将NVIDIA的GPGPU模型应用于点核卷积/迭加模型的3D-RTPS产品。在程序架构设计中使用MFC导出类及动态库技术,避免了大量代码移植工作。对结果数据进行比较与分析,确定了基于特定显卡效率最高的thread数目。基于以上工作,作者开发了我国首套基于点核卷积叠加剂量计算模型的3D-RTPS商业化产品软件,并已在实际临床中应用。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与现状
• 1.2 放射治疗概述
• 1.2.1 放射治疗的生物物理基础
• 1.2.2 放射治疗种类与治疗方式
• 1.2.3 放射治疗解决方案
• 1.2.4 三维放射治疗计划系统
• 1.3 本文研究的主要内容及意义
• 第2章 医学三维可视化仿真建模研究
• 2.1 引言
• 2.2 体绘制的基本流程
• 2.2.1 重采样
• 2.2.2 体绘制中的分类与可视化映射
• 2.2.3 体绘制的图像合成
• 2.3 典型的体绘制方法原理
• 2.3.1 光线投射
• 2.3.2 足迹表
• 2.3.3 错切-变形
• 2.3.4 纹理映射
• 2.4 体绘制建模技术研究
• 2.4.1 图像合成公式的改进
• 2.4.2 体显示加速算法研究
• 2.5 体显示仿真技术应用研究
• 2.5.1 患者感兴趣区体绘制
• 2.5.2 患者与设备空间关系体绘制
• 2.5.3 剂量分布体绘制研究
• 2.6 本章小结
• 第3章 组织自动分割研究
• 3.1 引言
• 3.2 医学图像组织分割的一般方法
• 3.2.1 阈值分割方法
• 3.2.2 区域增长方法
• 3.2.3 其它分割方法
• 3.3 基于知识的组织自动分割研究
• 3.3.1 基于知识的分割方法概述
• 3.3.2 基于知识的脊髓自动提取研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 三维放射治疗计划系统剂量计算仿真建模研究
• 4.1 引言
• 4.2 光子束能量沉积的理论基础
• 4.2.1 物理过程
• 4.2.2 Fano和O'Connor理论
• 4.2.3 交互理论
• 4.2.4 卷积/叠加原理
• 4.3 光子束外照射剂量计算建模
• 4.3.1 射束相空间建模
• 4.3.2 能量沉积核
• 4.3.3 点核卷积/迭加模型
• 4.3.4 光子束外照射剂量计算建模验证
• 4.4 剂量计算模型参数自动匹配研究
• 4.4.1 模拟退火优化算法
• 4.4.2 目标函数与约束
• 4.4.3 试验结果与数据
• 4.5 剂量计算精度偏差消除方法研究
• 4.5.1 治疗床产生的剂量偏差
• 4.5.2 治疗床剂量偏差消除方法
• 4.6 本章小结
• 第5章 逆向调强放射治疗仿真建模研究
• 5.1 引言
• 5.2 直接孔径优化研究
• 5.2.1 模拟退火优化方法
• 5.2.2 IMRT剂量计算建模技术的改进
• 5.2.3 目标函数与约束
• 5.3 试验数据与结果
• 5.4 本章小结
• 第6章 GPU加速技术研究
• 6.1 引言
• 6.2 GPU加速程序设计
• 6.2.1 架构设计
• 6.2.2 数据交换
• 6.3 GPU加速用于剂量计算研究
• 6.3.1 算法改进
• 6.3.2 线程优化分析
• 6.3.3 试验结果数据
• 6.4 GPU加速用于三维可视化研究
• 6.4.1 线程优化分析
• 6.4.2 试验结果数据
• 6.5 本章小结
• 第7章 三维放射治疗计划系统软件开发实现与临床验证
• 7.1 三维放射治疗系统软件开发实现
• 7.1.1 软件主要功能模块
• 7.1.2 系统工作流程
• 7.1.3 本文研究工作在软件系统中的应用
• 7.2 临床验证
• 7.2.1 临床试验方案
• 7.2.2 临床有效性评价标准
• 7.2.3 临床试验结果
• 7.3 本章小结
• 第8章 总结和展望
• 8.1 全文工作总结
• 8.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表的学术论文及完成的科研工作
• 作者简介